金文銳 秦依麗

（中車戚墅堰機車有限公司，江蘇 常州 213011）

HXN5型機車活塞銷裂紋分析及改進

金文銳 秦依麗

（中車戚墅堰機車有限公司，江蘇 常州 213011）

通過宏觀斷口分析、金相檢驗、硬度檢測對HXN5型機車活塞銷裂紋產(chǎn)生原因進行了分析。結(jié)果表明，該活塞銷的非金屬夾雜物不合格造成了金相組織偏析、機械性能下降及加工面粗糙；這些現(xiàn)象降低了疲勞抗力，加劇了疲勞失效傾向。通過增加原材料抽檢及增加隨爐試樣檢測的方法，提高了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。

活塞銷；材質(zhì)；組織；疲勞

公司采用20CrNiMo制造活塞銷。其工藝流程為：鍛造毛坯→表面滲碳→端面切削→鉆孔→鹽浴加熱淬火回火→表面精加工。經(jīng)反饋，成品在使用一定時間后，偶有內(nèi)油孔處開裂的現(xiàn)象。

1 宏觀斷口分析

將活塞銷剖開觀察，其橫截面上有3條裂紋起始于油孔，其中2條向外延伸，1條向內(nèi)孔延伸，裂紋幾乎貫穿整個活塞銷，如圖1所示。沿著斷面打開活塞銷，發(fā)現(xiàn)其斷裂面貝紋線清晰可見，是明顯的疲勞斷裂特征；疲勞源起始于2個油孔的交匯處；另外，油孔表面發(fā)現(xiàn)有機加工刀痕殘留，表面粗糙，如圖2所示?；钊N工作時承受非對稱交變載荷以及一部分沖擊載荷，受力不均勻；它連接活塞和連桿小頭，運動時相當(dāng)于雙點支撐梁［1］，因此極易以疲勞破壞的形式失效。

圖1 活塞銷橫截面裂紋形貌

圖2 活塞銷斷裂面形貌

2 金相檢驗

從疲勞源處取樣，試樣經(jīng)過磨拋后在金相顯微鏡下觀察，其非金屬夾雜物級別根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物顯微評定方法》評定為：A2.5、B0、C0、D0.5，如圖3所示，不符合技術(shù)要求。A類夾雜物過多會使夾雜物受周圍應(yīng)力的影響破碎產(chǎn)生空隙形成微裂紋；夾雜物還會改變材料本身的應(yīng)力分布，使出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，即在與夾雜物端部相毗鄰的金屬基體處應(yīng)力急劇升高，同時，它還加劇了材料的各向異性，降低了材料的疲勞抗力；另外，A類非金屬夾雜物主要為硫化類，含量過高會降低基體的耐腐蝕性，并造成機械加工后表面光潔度變差［2］。

再將試樣磨拋，經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后沿內(nèi)油孔表面觀察，其表面組織為馬氏體+鐵素體，如圖4所示?；钊N芯部組織為馬氏體+鐵素體，組織呈帶狀偏析，如圖5所示。這說明原材料本身有帶狀偏析，在熱處理后也未能完全消除；帶狀偏析會降低活塞銷的疲勞抗力［3］。

圖3 非金屬夾雜物 100×

圖4 裂紋源處拋光態(tài)下形貌 100×

圖5 活塞銷基體金相組織 500×

3 硬度檢測對活塞銷試樣芯部進行維氏硬度（HV1.0）檢測，結(jié)果如下表1所示。由于活塞銷試樣基體組織偏析，組織中含有較多的鐵素體及分布不均的非金屬夾雜物，導(dǎo)致各處硬度值不均勻，大大降低了該活塞銷的機械性能。

表1 活塞銷試樣維氏硬度檢測結(jié)果

4 結(jié)論與改進

檢驗結(jié)果表明，該活塞銷主要夾雜物為A類（硫化物類），其含量超出技術(shù)要求；由于A類夾雜物含量過高，加劇了材料的各向異性，降低了活塞銷縱向的疲勞抗力；受內(nèi)油孔工作環(huán)境的影響，內(nèi)油孔表面易受到油壓腐蝕，造成內(nèi)油孔表面夾雜物剝落，易成為疲勞源；另外由于A類夾雜物含量過高，降低了活塞銷表面的光潔度，特別是內(nèi)油孔表面，經(jīng)機械加工后殘留有加工刀痕，而內(nèi)油孔是活塞銷應(yīng)力集中部位，在交變載荷下更易形成疲勞開裂。

通過增加樣品抽檢數(shù)及隨爐試樣金相檢驗，提高了原材料質(zhì)量，改善了熱加工后材料性能，大大減少了活塞銷內(nèi)油孔開裂問題的產(chǎn)生。

［1］ 項東，許斌，劉喜俊.活塞銷斷裂失效分析［B］熱加工工藝，2002，05.

［2］ 任頌贊，張靜江，陳質(zhì)如等.鋼鐵金相圖譜［P］上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2003，06.

［3］ 上海市機械制造工藝研究所.金相分析技術(shù)［P］上?？茖W(xué)技術(shù)文獻出版，1987.07.

U262.11；U269

A

1003-5168（2015）11-025-02

金文銳（1989-），男，漢族，助理工程師，本科，研究方向：金屬熱處理。